《光电传感器》课件.ppt
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1、,第5章 光电式传感器,5.1 常用光电器件5.2 光栅传感器5.3 固态图像传感器,上一页,下一页,返 回,教学目标:了解和掌握光电效应及其形式以及相应的光电器件工作原理。掌握光敏电阻、光电池、光敏晶体管(光敏二极管、光敏三极管)的结构特点及相应的基本特性和参数。,光电式传感器,定义:是一种将光信号转换成电信号的装置。以光电元件作为转化元件,可以将被测的非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成。物理基础:光电效应优点:结构简单、性能可靠、精度高、反映快。应用:现代测量和自动控制系统,应用广泛,前景广阔。,上一页,下一页,返 回,光电效应,
2、下一页,返 回,定义:是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量,从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类:1)外光电效应 在光线的作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。,光子是具有能量的粒子,每个光子的能量:,光是由被看做具有一定能量的光粒子组成,每个光子所具有的能量E正比于其光的频率。光射在物体上(半导体材料)可以看成是一串有能量的光粒子轰击在物体上,物体吸收了能量为E的光后产生了电效应。,根据爱因斯坦假设,一个电子只能接受一个光子的能
3、量,所以要使一个电子从物体表面逸出,必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功,超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物,从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理 式中 m电子质量;v0电子逸出速度。A0电子逸出表面的功(束缚电子的能量),该方程称为爱因斯坦光电效应方程,光电子能否产生,取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功,即每一个物体都有一个对应的光频阈值,称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率,光子能量不足以使物体内的电子逸出,因而小于红限频率的入射光,光强再大也不会产生光电子发射;反之,
4、入射光频率高于红限频率,即使光线微弱,也会有光电子射出。,当入射光的频谱成分不变时,产生的光电流与光强成正比。即光强愈大,意味着入射光子数目越多,逸出的电子数也就越多。,光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2,因此外光电效应器件(如光电管)即使没有加阳极电压,也会有光电子产生。为了使光电流为零,必须加负的截止电压,而且截止电压与入射光的频率成正比。,区分光强和光能量:光强光子的多少引起光的强弱 光能量E=hf,下一页,返 回,2)内光电效应,当光照射在物体上,使物体的电阻率发生变化,或产生光生电动势的现象叫做内光电效应,它多发生于半导体内。根据工作原理的不同,内光电效应分为光电导效应和光生
5、伏特效应两类:(1)光电导效应 在光线作用下,电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态,而引起材料电导率的变化,这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,过程:当光照射到半导体材料上时,价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击,并使其由价带越过禁带跃入导带,如图,使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加,从而使电导率变大。,导带,价带,禁带,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,Eg,材料的光导性能决定于禁带宽度,对于一种光电导材料,总存在一个照射光波长限0,只有波长小于0的光照射在光电导体上,才能产生电子能级间的跃进,从而使光电导体的电导率增加。
6、,式中、分别为入射光的频率和波长。,为了实现能级的跃迁,入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg,即,(2)光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势(电荷堆积)的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。势垒效应(结光电效应)。接触的半导体和PN结中,当光线照射其接触区域时,便引起光电动势,这就是结光电效应。以PN结为例,光线照射PN结时,设光子能量大于禁带宽度Eg,使价带中的电子跃迁到导带,而产生电子空穴对,在阻挡层内电场的作用下,被光激发的电子移向N区外侧,被光激发的空穴移向P区外侧,从而使P区带正电,N区带负电,形成光电动势。,侧向光电效
7、应 当半导体光电器件受光照不均匀时,载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时,光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大,就出现了载流子浓度梯度,因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大,那么空穴的扩散不明显,则电子向未被光照部分扩散,就造成光照射的部分带正电,未被光照射部分带负电,光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件(PSD)。,5.1 常用光电器件,5.1.1 光敏电阻5.1.2 光电池5.1.3 光敏二极管和光敏晶体管5.1.4 常用光电器件的应用,下一页,返 回,511 光敏电阻,1.光敏电阻的光
8、电效应2光敏电阻种类3光敏电阻的主要参数4.光敏电阻的基本特性,上一页,下一页,返 回,1.光敏电阻的光电效应,光敏电阻特性:当无光照时:光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流很小 当有光照时:光敏电阻值(亮电阻)急剧减少,电流迅速增加光照停止时:恢复高阻状态优点:灵敏度高,光谱响应范围宽,体积小、重量轻、机械强度高,耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足:需要外部电源,有电流时会发热。,上一页,下一页,返 回,光敏电阻又称为光导管,是基于内光电效应中的光电导效应(即光照改变电导率)。,上一页,下一页,返 回,接受光照时:其共价键中的价电子吸收光子能量,由价带穿越禁带到达导带,成为光生自由
9、电子,使得半导体中自由电子空穴对增加,导电率提高,电阻值下降。光照停止时:失去光子能量的光生自由电子又重新迭落回价带与空穴复合,自由电子空穴对减少,导电率下降,电阻值提高。Eg禁带宽度,价电子吸收光子能量EEg,才能穿越禁带成为自由电子。光照越强、E越大,光生自由电子越多,电阻值越小。光照停止或光强减小使EEg时,光生自由电子又迭回价带成为价电子,使电阻值增加或恢复高阻状态。,形成原因:,上一页,下一页,返 回,偏压U一定时,检流计指示电流I的大小决定于光敏电阻上的光照强度:无光照时:I很小,此电流称之为暗电流;光敏电阻的阻值很高,相应称之为暗电阻(兆欧级)有光照时:I较大,此电流称之为亮电流
10、;光敏电 阻的阻值显著减小,相应称之为亮电阻(千欧以内)光电流:由光照所产生的自由电子空穴流,为亮电流与暗电流之差。由于暗电流很小,在工程分析时可把亮电流看成光电流。,光敏电阻光电效应实验电路,光敏电阻的结构,1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线,光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响,因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。,上一页,下一页,返 回,2.光敏电阻种类,光敏电阻是一个纯电阻性两端器件,适用于交、直流电路,因而应用广泛,种类很多。对光照敏感的半导体光敏元件都可以制成光敏电阻。半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波,按其最佳工作波长范围分三
11、类:(1)对紫外光敏感元件 紫外光是指紫外线(波长10380nm)的内侧光波,波长约300380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌、硫化锌等,适于作射线检测及光电控制电路。(2)对可见光敏感元件 可见光波长范围约380760nm,对这类光敏感的材料有硒、硅、锗等,适用于光电计数、光电耦合、光电控制等场合。(3)对红外光敏感元件 红外光是红外线(波长 7601106nm)的内侧光波,波长约7606000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅、硒化钳等,主要用来探测不可见目标。,上一页,下一页,返 回,3 光敏电阻的主要参数,(1)暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下,在全暗后经过一定时间测量的电阻值,称
12、为暗电阻。此时流过的电流,称为暗电流。越小越好(2)亮电阻 光敏电阻在某一光照下的阻值,称为该光照下的亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。越大越好(3)光电流 亮电流与暗电流之差,称为光电流。越大越好,上一页,下一页,返 回,4光敏电阻的基本特性,(1)光谱特性(2)光照特性(3)伏安特性(4)响应时间和频率特性(5)温度特性(6)稳定性,上一页,下一页,返 回,(1)光谱特性,定义:光电流对不同波长的单色光,灵敏度是不同的,即即产生的光电流的大小不同。,上一页,下一页,返 回,光波:波长为10106nm的电磁波可见光:波长380780nm紫外线:波长10380nm,波长300380nm称为近紫
13、外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线,红外线:波长780106nm,因为f不同,光的能量不同,所以光电组对不同f的光具有不同的灵敏度。,光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知,硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度,峰值在红外区域;硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。结论:在选用光敏电阻时,应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑,才能获得满意的效果。,上一页,下一页,返 回,一般光敏电阻具有较高的灵敏度、很好的光谱特性,其光谱响应可从紫外区到红外区。,(2)光照特性,定义:在一定电压下,光敏电阻的光电流I与光强E之间的关系。,上一页,下一页,返
14、 回,右图表示CdS硫化镉光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同,但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件,这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。,(3)伏安特性,定义:在一定强度的光照下,光敏电阻的端电压与光电流的关系。,上一页,下一页,返 回,图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知,在给定偏压下,光照度越大,光电流也越大。在一定的光照度下,所加的电压越大,光电流越大,而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大,因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流,可能导致光
15、敏电阻永久性损坏。,50,100,150,200,1,2,20,I/A,0,40,U/V,(4)响应时间和频率特性,时延特性:当光敏电阻受到脉冲光照射时,光电流要经过一段时间才能达到稳定值,而在停止光照后,光电流也不立刻为零,这就是光敏电阻的时延特性。通常用响应时间t表示。,上一页,下一页,返 回,光敏电阻的频率特性,频率特性:是指光照的交变(调制)频率与光敏电阻光电流输出的关系。其原因在于光敏电阻突然受到光照,光电流并不是立刻上升到饱和值,光突然消失光电流也不是立刻降为0,在时间上有一个滞后。不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间,所以它们的频率特性也就不尽相同。,上一页,下一页,返 回,20
16、,40,60,80,100,I/%,f/Hz,0,10,102,103,104,硫化铅,硫化镉,如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多,但多数光敏电阻的时延都比较大,所以,它不能用在要求快速响应的场合。,(5)温度特性,光敏电阻性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高,其暗电阻和灵敏度下降,光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度,或为了能够接收较长波段的辐射,将元件降温使用。例如,可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。,上一页,下一页,返 回,I/A,100,150,200,-50,-10,30,50,10,-30,T/C,20
17、,40,60,80,100,0,1.0,2.0,3.0,4.0,/m,I/mA,+20 C,-20 C,(6)稳定性,上一页,下一页,返 回,图中曲线1、2分别表示两种型号CdS硫化镉光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻,由于体内机构工作不稳定,以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡,所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、,光照及加负载情况下,经一至二周的老化,性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中,有些样品阻值上升,有些样品阻值下降,但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下,几乎是无限长的。,5.1.2 光电池,上一页
18、,下一页,返 回,光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能,因此又称为太阳能电池。它是发电式有源元件,有较大面积的PN结,当光照射在PN结上时,在结的两端出现电动势。命名方式:把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如,硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。硅光电池价格便宜,转换效率高,寿命长,适于接受红外光。硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短,适于接收可见光(响应峰值波长0.56m),最适宜制造照度计。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高,光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高,更耐受
19、宇宙射线的辐射。因此,它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。,1 光电池的结构和工作原理,上一页,下一页,返 回,硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时,如果光子能量足够大,将在结区附近激发出电子-空穴对,在N区聚积负电荷,P区聚积正电荷,这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来,电路中有电流流过,电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开,就可测出光生电动势。,上一页,下一页,返 回,光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。,2 基本特性,(1)光谱特性(2)光照特性(
20、3)频率响应(4)温度特性(5)稳定性,上一页,下一页,返 回,(1)光谱特性,上一页,下一页,返 回,光电池对不同波长光的灵敏度是不同的,不同材料的光电池对入射光波长的敏感范围是不同的,因此光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出,硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度,峰值波长在540nm附近,适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm,峰值波长在850nm附近,因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。,实际中,使用时可根据光源选择光电池,也可以根据光电池来选择相应的光源。,(2)光照特性,上一页,下一页,返 回,开路电压曲线:光生电动势与照度之间的特性曲线,当照度为2000lx时
21、趋向饱和。(呈非线性关系)短路电流曲线:光电流与照度之间的特性曲线。(呈线性关系)所以:当光电阻作为测量元件时应取短路电流形式。,光电池的短路电流,上一页,下一页,返 回,定义:指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下,其内阻也不同,因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。,结论:负载RL越小,光电流与强度的线性关系越好,且线性范围越宽。,(3)频率特性,结论:硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换,上一页,下一页,返 回,光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率
22、变化的关系。由于光电池PN结面积较大,极间电容大,故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。,20,40,60,80,100,0,I/%,1,2,3,4,5,1,2,f/kHz,1硒光电池2硅光电池,总趋势:f,I,这是因为响应有滞后。,(4)温度特性,上一页,下一页,返 回,光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见,开路电压与短路电流均随温度而变化,它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移,影响到测量或控制精度等主要指标,因此,当光电池作为测量元件时,最好能保持温度恒定,或采取温度补偿措施。,20,0,40,60,90,40,60,UOC/mV,T/C,ISC,UO
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